[ES] La biotecnología moderna se basa en la aplicación de una mezcla de herramientas experimentales y computacionales para llevar a cabo de forma dirigida la ingeniería genética. El objetivo es obtener células (re)programadas que implementen nuevas funciones o que sirvan como herramientas para el estudio de sistemas biológicos. En este contexto, el uso de bacterias en biotecnología está muy extendido. Sin embargo, la implementación de circuitos genéticos para el aprovechamiento de estos seres vivos puede verse limitada por procesos biológicos naturales; es decir, los circuitos diseñados (o naturales) pueden verse afectados por el transcurso del tiempo o por cambios en el entorno en el que crecen las bacterias. En esta tesis, nos propusimos seguir un enfoque integrador para estudiar cómo las bacterias responden en el tiempo y el espacio a los cambios genéticos y ambientales, que pueden afectar la funcionalidad de los circuitos de interés biotecnológico. Usamos Escherichia coli como organismo modelo, explotando una variedad de herramientas experimentales para trabajar con él. En primer lugar, estudiamos cómo los cambios ambientales y genéticos afectan la funcionalidad de un circuito genético sintético que implementa un comportamiento lógico sofisticado. Descubrimos que hay amplios rangos de concentración de entrada que el sistema puede procesar correctamente, que el circuito diseñado es bastante sensible a los efectos de la temperatura, que la expresión de pequeños ARN heterólogos es costosa para la célula y que una reorganización genética adecuada del sistema para reducir la cantidad de ADN heterólogo en la célula puede mejorar su estabilidad evolutiva. En segundo lugar, estudiamos el crecimiento bacteriano en entornos en los que existen materiales nanoestructurados. Descubrimos que las poblaciones bacterianas se pueden controlar en gran medida mediante el uso de marcos organometálicos, ya que estos materiales nanoestructurados pueden descomponerse lentamente en medios biológicos liberando agentes antimicrobianos (metales y compuestos orgánicos, incluidos los antibióticos). Analizamos la respuesta bacteriana espaciotemporal siguiendo un enfoque experimental y teórico combinado en un entorno tan complejo y desafiante en medios líquidos y sólidos. Además de las variaciones en el rendimiento debido a cambios ambientales, también se debe considerar que esos circuitos genéticos evolucionarán con el tiempo debido a la acumulación estocástica de mutaciones. Estas mutaciones pueden dar lugar a cambios en la funcionalidad de los circuitos reguladores. Por tanto, en tercer lugar, realizamos un experimento de evolución a largo plazo para estudiar la contribución de un sistema de chaperonas de proteínas en la modulación de la estabilidad evolutiva. En los últimos años, se ha demostrado que los sistemas de chaperonas, como GroES/EL, pueden amortiguar o purgar mutaciones. Realizamos la secuenciación del genoma completo en diferentes líneas con diferentes niveles de expresión de GroEL y también medimos la tasa de crecimiento de las células al principio y al final del experimento evolutivo. Sin embargo, nuestros resultados no fueron concluyentes, por lo que se necesita más investigación para comprender completamente el papel de GroES/EL en la evolución y evaluar su utilidad potencial en biotecnología. En conjunto, esta tesis intenta avanzar en nuestro conocimiento sobre cómo las bacterias, y E. coli en particular, se comportan como se espera cuando el entorno se altera, la fisiología cambia y pasa mucho tiempo, para posibles aplicaciones industriales o (pre)clínicas. / [CA] La biotecnologia moderna es basa en l'aplicació d'una mescla d'eines experimentals i computacionals per a realitzar de forma dirigida l'enginyeria genètica. L'objectiu és obtindre cèl·lules (re)programades que implementen noves funcions o que servisquen com a eines per a l'estudi de sistemes biològics. En aquest context, l'ús de bacteris en biotecnologia està molt estés. No obstant això, la implementació de circuits genètics per a l'aprofitament d'aquests éssers vius pot veure's limitada per processos biològics naturals; és a dir, els circuits dissenyats (o naturals) poden veure's afectats pel transcurs del temps o per canvis en l'entorn en el qual creixen els bacteris. En aquesta tesi, ens vam proposar seguir un enfocament integrador per a estudiar com els bacteris responen en el temps i l'espai als canvis genètics i ambientals, que poden afectar la funcionalitat dels circuits d'interés biotecnològic. Usem Escherichia coli com a organisme model, explotant una varietat d'eines experimentals per a treballar amb ell. En primer lloc, estudiem com els canvis ambientals i genètics afecten la funcionalitat d'un circuit genètic sintètic que implementa un comportament lògic sofisticat. Descobrim que hi ha amplis rangs de concentració d'entrada que el sistema pot processar correctament, que el circuit dissenyat és bastant sensible a l'efecte de la temperatura, que l'expressió de xicotets ARN heteròlegs és costosa per a la cèl·lula i que una reorganització genètica adequada del sistema per a reduir la quantitat d'ADN heteròleg en la cèl·lula pot millorar la seua estabilitat evolutiva. En segon lloc, estudiem el creixement bacterià en entorns en els quals existeixen materials nanoestructurats. Descobrim que les poblacions bacterianes es poden controlar en gran manera mitjançant l'ús de marcs organometàlics, ja que aquests materials nanoestructurats poden descompondre's lentament en medis biològics alliberant agents antimicrobians (metalls i compostos orgànics, inclosos els antibiòtics). Analitzem la resposta bacteriana espai-temporal seguint un enfocament experimental i teòric integrador en un entorn tan complex i desafiador en mitjans líquids i sòlids. A més de les variacions en el rendiment degut a canvis ambientals, també s'ha de considerar que aqueixos circuits genètics evolucionaran amb el temps degut a l'acumulació estocàstica de mutacions. Aquestes mutacions poden donar lloc a canvis en la funcionalitat dels circuits reguladors. Per tant, en tercer lloc, realitzem un experiment d'evolució a llarg termini per a estudiar la contribució d'un sistema de chaperones de proteïnes en la modulació de l'estabilitat evolutiva. En els últims anys, s'ha demostrat que els sistemes de chaperones, com GroES/EL, poden esmorteir o purgar mutacions. Realitzem la seqüenciació del genoma complet en diferents línies amb diferents nivells d'expressió de GroEL i també mesurem la taxa de creixement de les cèl·lules al principi i al final de l'experiment evolutiu. No obstant això, els nostres resultats no van ser concloents, per la qual cosa es necessita més investigació per a comprendre completament el paper de GroES/L en l'evolució i avaluar la seua utilitat potencial en biotecnologia. En conjunt, aquesta tesi intenta avançar en el nostre coneixement sobre com els bacteris, i E. coli en particular, es comporten com s'espera quan l'entorn s'altera, la fisiologia canvia i passa molt temps, per a possibles aplicacions industrials o (pre)clíniques. / [EN] Modern biotechnology is based on applying a mix of experimental and computational tools to perform in a directed way genetic engineering. The aim is to obtain (re)programmed cells that implement new functions or that serve as tools for the study of biological systems. In this context, the use of bacteria in biotechnology is widespread. However, the implementation of genetic circuits for the use of these living beings may be limited due to natural biological processes; that is, the engineered (or natural) circuits may be affected by the course of time or by changes in the environment in which bacteria grow. In this thesis, we proposed to follow an integrative approach to study how bacteria respond in time and space to genetic and environmental changes, which may affect the functionality of the circuits of biotechnological interest. We used Escherichia coli as a model organism, exploiting a variety of experimental tools to work with it. Firstly, we studied how environmental and genetic changes affect the functionality of a synthetic genetic circuit that implements a sophisticated logic behavior. We found that there are wide input concentration ranges that the system can correctly process, that the engineered circuitry is quite sensitive to temperature effects, that the expression of heterologous small RNAs is costly for the cell, and that a proper genetic reorganization of the system to reduce the amount of heterologous DNA in the cell can improve its evolutionary stability. Secondly, we studied of bacterial growth in environments in which there are nanostructured materials. We found that bacterial populations can be greatly controlled through the use of metal-organic frameworks, as these nanostructured materials can slowly decompose in biological media releasing antimicrobials (metals and organic compounds, including antibiotics). We analyzed the spatiotemporal bacterial response following a combined experimental and theoretical approach in a such a complex and challenging environment in both liquid and solid media. In addition to variations in performance due to environmental changes, it must also be considered that those gene circuits will evolve over time due to the stochastic accumulation of mutations. These mutations can lead to changes in the functionality of the regulatory circuits. Then thirdly, we performed an experiment of long-term evolution to study the contribution of a protein chaperone system in modulating evolutionary stability. In recent years, it has been shown that chaperone systems, such as GroES/EL, can buffer or purge mutations. We performed whole-genome sequencing over different lines with varying expression levels of GroEL, and also measured the growth rate of the cells at the beginning and the end of the evolutionary experiment. However, our results were not conclusive, so further research is needed to fully understand the role of GroES/EL in evolution and to assess its potential utility in biotechnology. Taken together, this thesis tries to advance our knowledge on how bacteria, and E. coli in particular, behave as expected when the environment is perturbed, the physiology changes, and long time passes, for potential industrial or (pre)clinical applications. / Montagud Martínez, R. (2023). Study of Spatiotemporal Responses of Bacterial Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193030

[ES] Los sistemas CRISPR-Cas se basan en un mecanismo del sistema inmune adaptativo que se encuentra en bacterias y arqueas. Funcionan utilizando endonucleasas guiadas por ARN (proteínas Cas) para localizar y reconocer secuencias específicas de ácidos nucleicos. Los sistemas CRISPR-Cas son revolucionarios en el campo de la ingeniería genética, permitiendo la edición específica del genoma, ensayos de regulación genética y, desarrolladas en los últimos años, aplicaciones de diagnóstico. Los métodos de detección de ácidos nucleicos son la técnica de diagnóstico de referencia en la clínica debido a su alta sensibilidad y especificidad. Sin embargo, de cara al futuro, debemos desarrollar métodos versátiles de detección de virus que permitan diagnósticos rápidos y fiables, que superen las limitaciones de las técnicas actuales y puedan usarse fácilmente fuera del laboratorio para aplicaciones en puntos de atención (POC). Los sistemas CRISPR-Cas se han reconvertido en herramientas de diagnóstico de ácidos nucleicos gracias a la capacidad de algunas proteínas Cas de realizar cortes colaterales no específicos al reconocer su diana. Nuestro objetivo es ampliar el conjunto de herramientas de diagnóstico CRISPR-Cas mediante el desarrollo de una nueva estrategia de detección de ácidos nucleicos basada en CRISPR-Cas9, cuyo modo de acción se basa en el desplazamiento de hebra en lugar de en la catálisis colateral. Demostramos que los amplicones de ADN del SARS-CoV-2 generados a partir de muestras de pacientes pueden detectarse con CRISPR-Cas9. También demostramos la capacidad de realizar la detección simultánea de diferentes amplicones de ADN con la misma nucleasa, ya sea para identificar diferentes regiones de SARS-CoV-2 o diferentes virus respiratorios. Para avanzar hacia aplicaciones POC, acoplamos el paso de preamplificación isotérmica con oligos biotinilados para producir amplicones marcados. Cuando se combina con CRISPR-Cas9 y sondas marcadas con FAM, esto permite la visualización colorimétrica de la detección mediante ensayos de flujo lateral (LFA) en tiras disponibles en el mercado. La lectura colorimétrica permite la interpretación de los resultados a simple vista, superando la necesidad de un fluorímetro. Detectamos con éxito SARS-CoV-2 a partir de muestras de pacientes en la configuración LFA, y cuando se combinó con RT-RPA multiplexado, se logró la detección de dos regiones distintas del virus en una sola prueba. Además, la ausencia de actividad colateral en nuestra metodología permite el procesamiento de secuencias posteriores adicionales. Por lo tanto, también pretendemos explorar la capacidad de integración de señales de nuestro método de detección basado en CRISPR-Cas9. Demostramos que diseños de circuitos lógicos de ADN pueden procesar diferentes señales de SARS-CoV-2 detectadas por los complejos CRISPR. También nos propusimos mejorar nuestro sistema CRISPR-Cas9 para detectar tanto proteínas como ácidos nucleicos. Nos propusimos diseñar un ARN guía condicional que respondiera a la presencia de la proteína spike del SARS-CoV-2. Para ello, insertamos un aptámero en el ARN guía para bloquear la actividad de Cas9 en ausencia de la proteína. En presencia de la proteína spike, la interacción aptámero-proteína hace que el motivo de bloqueo sufra un cambio conformacional, liberando el ARN guía y activando Cas9. Aunque logramos con éxito el escenario de bloqueo utilizando las secuencias reguladoras, es necesario seguir trabajando para identificar una secuencia que pueda inducir el cambio conformacional específico necesario para restaurar la actividad de Cas9 en presencia de la proteína spike. En conjunto, esta plataforma de diagnóstico CRISPR-Cas9 permite una detección multiplexada en un solo tubo, complementando los métodos existentes basados en CRISPR, y ofreciendo un sistema extensible para aplicaciones en diagnóstico en el punto de atención y biocomputación. / [CA] Els sistemes CRISPR-Cas es basen en un mecanisme del sistema immunitari adaptatiu que es troba en bacteris i arqueus. Funcionen utilitzant endonucleases guiades per ARN (proteïnes Cas) per tal de dirigir-se i reconéixer seqüències específiques d'àcids nucleics. Els sistemes CRISPR-Cas siguen revolucionaris en el camp de l'enginyeria genètica, permetent l'edició específica del genoma, assajos de regulació gènica i, desenvolupades en els darrers anys, aplicacions de diagnòstic. Els mètodes de detecció d'àcids nucleics són la tècnica de diagnòstic de referència a la clínica degut a la seua alta sensibilitat i especificitat. No obstant, de cara al futur, hem de desenvolupar mètodes versàtils de detecció de virus que permeten diagnòstics ràpids i fiables, que superen les limitacions de les tècniques actuals i puguen utilitzar-se fàcilment fora del laboratori per a aplicacions en punts d'atenció (POC). Els sistemes CRISPR-Cas han estat reorientats com a eines de diagnòstic d'àcids nucleics, fet possible per la capacitat d'algunes proteïnes Cas de realitzar un tall col·lateral no específic en reconèixer un objectiu. El nostre objectiu és ampliar el conjunt d'eines de diagnòstic CRISPR-Cas desenvolupant una nova estratègia de detecció d'àcids nucleics basada en CRISPR-Cas9, el mode d'acció del qual es basa en el desplaçament de cadena en lloc de la catàlisi col·lateral. Mostrem que es poden detectar amplicons de DNA de SARS-CoV-2 generats a partir de mostres de pacients amb CRISPR-Cas9. També demostrem la capacitat de realitzar la detecció simultània de diferents amplicons de DNA amb la mateixa nucleasa, ja siga per identificar diferents regions de SARS-CoV-2 o diferents virus respiratoris. Per avançar cap a aplicacions de punt d'atenció (POC), vam combinar el pas de preamplificació isotèrmica amb oligos biotinilats per produir amplicons etiquetats. Quan es combinen amb l'orientació CRISPR-Cas9 i sondes etiquetades amb FAM, això permet la visualització colorimètrica de la detecció mitjançant assajos de flux lateral (LFA) en tires comercials disponibles. La lectura colorimètrica permet la interpretació dels resultats a simple vista, superant la necessitat d'un fluorímetre. Vam detectar amb èxit el SARS-CoV-2 a partir de mostres de pacients en el sistema LFA, i quan es va combinar amb RT-RPA multiplexada, es va aconseguir la detecció de dues regions diferents del virus en una sola prova. A més, l'absència d'activitat col·lateral en la nostra metodologia permet el processament de seqüències addicionals. Per tant, també ens proposem explorar la capacitat d'integració de senyals del nostre mètode de detecció basat en CRISPR-Cas9. Demostrem que els circuits lògics d'ADN dissenyats poden processar diferents senyals de SARS-CoV-2 detectats pels complexos CRISPR. També vam intentar millorar el nostre sistema CRISPR-Cas9 per detectar tant proteïnes com àcids nucleics. Ens vam proposar dissenyar un ARN guia condicional que respon a la presència de la proteïna spike del SARS-CoV-2. Per aconseguir-ho, vam inserir una seqüència d'aptàmer dins de l'ARN guia per bloquejar l'activitat de Cas9 en absència de la proteïna. En presència de la proteïna spike, la interacció aptàmer-proteïna fa que el motiu de bloqueig experimente un canvi conformacional, alliberant l'ARN guia i activant Cas9. Tot i que vam aconseguir amb èxit el bloqueig utilitzant les seqüències reguladores, es necessita més treball per identificar una seqüència que puga induir el canvi conformacional específic necessari per restaurar l'activitat de Cas9 en presència de la proteïna spike. Col·lectivament, aquesta plataforma de diagnòstic CRISPR-Cas9 permet una detecció multiplexada en un sol tub, complementant els mètodes existents basats en CRISPR i oferint un sistema extensible per a aplicacions en diagnòstics de punt d'atenció i biocomputació. / [EN] CRISPR-Cas systems are based on an adaptive immune system mechanism found in bacteria and archaea. They function using RNA-guided endonucleases (Cas proteins), to target and recognize specific nucleic acid sequences. CRISPR-Cas systems are revolutionary in the field of genetic engineering, enabling specific genome editing, gene regulation assays and, developed in recent years, diagnostic applications. Nucleic acid detection methods are the gold-standard diagnostic technique in the clinic due to their high sensitivity and specificity. However, going forward, we must develop versatile virus detection methods that enable fast and reliable diagnostics and that can overcome the limitations of the current techniques and can be easily used outside the laboratory for point-of-care (POC) applications. CRISPR-Cas systems have been repurposed as nucleic acid diagnostic tools made possible by the ability of some Cas proteins to perform non-specific collateral cleavage upon target recognition. We aim to expand the CRISPR-Cas diagnostic toolkit by developing a novel nucleic acid detection strategy based on CRISPR-Cas9, whose mode of action relies on strand displacement rather than on collateral catalysis. We show that SARS-CoV-2 DNA amplicons generated from patient samples can be detected with CRISPR-Cas9. We also demonstrate the ability to perform simultaneous detection of different DNA amplicons with the same nuclease, either to identify different SARS-CoV-2 regions or different respiratory viruses. To advance toward POC applications, we coupled the isothermal preamplification step with biotinylated oligos to produce labelled amplicons. When combined with CRISPR-Cas9 targeting and FAM-labelled probes, this allows for colorimetric visualization of detection using lateral flow assays (LFA) on commercially available strips. The colorimetric readout enables interpretation of the results with the naked eye, surpassing the need for a fluorimeter. We successfully detected SARS-CoV-2 from patient samples in the LFA setup, and when combined with multiplexed RT-RPA, the detection of two distinct regions of the virus was achieved in a single test. Furthermore, the absence of collateral activity in our methodology allows for the processing of additional downstream sequences. Therefore, we also aim to explore the signal integration capability of our CRISPR-Cas9-based detection method. We demonstrate that engineered DNA logic circuits can process different SARS-CoV-2 signals detected by the CRISPR complexes. We also aimed to enhance our CRISPR-Cas9 system to sense both proteins and nucleic acids. We aimed to engineer a conditional guide RNA that responds to the presence of the SARS-CoV-2 spike protein. To achieve this, we inserted an aptamer sequence within the guide RNA to block Cas9 activity in the absence of the protein. Upon the presence of the spike protein, aptamer-protein interaction makes the blocking motif undergo a conformational change, releasing the guide RNA and activating Cas9. While we successfully achieved the blocking scenario using the regulatory sequences, further work is needed to identify a sequence that can induce the specific conformational change required to restore Cas9 activity upon spike protein presence. Collectively, this CRISPR-Cas9 diagnostic platform allows a multiplexed detection in a single tube, complementing the existing CRISPR-based methods, and offering an extensible system for applications in point-of-care diagnostics and biocomputing. / This work was supported by a predoctoral fellowship from the Spanish Ministry of Science and Innovation (PRE2019-088531). / Márquez Costa, R. (2024). Engineering of CRISPR-Cas9-Based Systems for Diagnostics and Biocomputing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/210634

[ES] El empleo de organismos vivos como biofactorías ha ganado una atención significativa en la industria debido a la creciente demanda de sistemas de producción sostenibles y la escasez de recursos. Entre sus muchas aplicaciones, las biofactorías pueden ser diseñadas para producir feromonas de insectos, las cuales sirven como alternativa ecológica a los pesticidas para el control de plagas en la agricultura. Como prueba de concepto, en esta tesis doctoral se caracterizaron plantas de Nicotiana benthamiana modificadas genéticamente con una ruta multigénica para producir las feromonas de polillas (Z)-11-hexadecenol (Z11-16OH) y (Z)-11-hexadecenil acetato (Z11-16OAc). Las plantas resultantes produjeron cantidades moderadas de ambas feromonas (111.4 µg g-1 FW y 11.8 µg g-1 FW para Z11-16OH y Z11-16OAc, respectivamente), y tasas de emisión diarias de ~10 ng g-1 FW para cada feromona. La producción de feromonas afectó negativamente al desarrollo de las plantas, probablemente debido a la sustancial carga metabólica y posible toxicidad de estos productos. Una estrategia para superar estas limitaciones es diseñar un sistema de expresión condicional que permita a las plantas crecer con normalidad antes de inducir la producción de feromonas. Para ello desarrollamos un conjunto de promotores sintéticos personalizables, llamados GB_SynP, activables con dCasEV2.1, un activador transcripcional potente y programable desarrollado recientemente para la inducción de genes en plantas. Los promotores GB_SynP permitieron una regulación precisa de los transgenes, con unos niveles de transcripción robustos y modulables en el estado "encendido" (presencia de dCasEV2.1 y la correspondiente guía de ARN), y una expresión mínima en el estado "apagado". Para implementar el sistema de producción condicional de feromonas en plantas se generó una nueva ruta multigénica para la biosíntesis de feromonas de polilla bajo el control de los promotores GB_SynP. Paralelamente, el activador dCasEV2.1 se reguló transcripcionalmente mediante el módulo CUP2:GAL4 sensible a sulfato de cobre, un inductor químico ampliamente utilizado en la agricultura. La funcionalidad del sistema se probó mediante expresión transitoria en N. benthamiana, resultando en unos rendimientos en el estado "encendido" de 32.7 µg g-1 FW y 25 µg g-1 FW para Z11-16OH y Z11-16OAc, respectivamente, y unos niveles insignificantes en ausencia de cobre. Sin embargo, la expresión en estable de esta ruta en N. benthamiana produjo unos niveles de expresión de los transgenes significativamente menores y una marcada disminución en la producción de feromonas. Esto supone que el sistema en su forma actual resulte inviable como biofactoría de feromonas en términos prácticos. La optimización de este sistema debe centrarse en mejorar la cascada de activación, en el uso de especies de plantas alternativas con mayor biomasa, y/o en incrementar las tasas de emisión en planta. Como alternativa a la producción de feromonas en plantas, la intercambiabilidad de piezas génicas entre plantas y hongos filamentosos puede aprovecharse para crear biofactorías fúngicas de feromonas. En este sentido, nuestro grupo adaptó previamente el sistema GoldenBraid a hongos filamentosos, llamado FungalBraid. En esta tesis ampliamos la colección de FungalBraid incorporando 27 piezas nuevas que incluyen diferentes marcadores de selección y promotores constitutivos e inducibles, los cuales se caracterizaron funcionalmente en Penicillium digitatum y P. chrysogenum. Además, se expresaron con éxito los promotores GB_SynP en P. digitatum, en combinación con el sistema de dCas9 activadora contenido en el vector pAMA18. Aunque los niveles de expresión de GB_SynP en hongos filamentosos fueron menores que los observados previamente en plantas, ésta y otras herramientas disponibles en la colección FungalBraid pueden utilizarse en el futuro para el desarrollo de biofactorías fúngicas que produzcan feromonas de insectos y otras biomoléculas de alto valor. / [CA] L'ús d'organismes vius com biofàbriques ha guanyat una atenció significativa a la indústria a causa de la creixent demanda de sistemes de producció sostenible i l'escassetat de recursos. Entre les seues moltes aplicacions, les biofàbriques poden ser dissenyades per a produir feromones d'insectes, les quals serveixen com a alternativa ecològica als pesticides per al control de plagues a l'agricultura. Com a prova d'aquest concepte, en aquesta tesi doctoral es van caracteritzar plantes de Nicotiana benthamiana modificades genèticament plantes de amb una ruta multigènica per a produir les feromones d'arnes (Z)-11-hexadecenol (Z11-16OH) i (Z)-11-hexadecenil acetat (Z11-16OAc). Les plantes resultants van produir quantitats moderades de totes dues feromones (111.4 µg g-1 FW i 11.8 µg g-1 FW per a Z11-16OH i Z11-16OAc, respectivament), i taxes d'emissió diàries d'aproximadament 10 ng g-1 FW per a cada feromona. La producció de feromones en aquestes plantes va afectar negativament el seu desenvolupament, probablement a causa de la substancial càrrega metabòlica i possible toxicitat d'aquests productes. Una estratègia per superar aquestes limitacions és dissenyar un sistema d'expressió condicional que permeta a les plantes créixer amb normalitat abans d'induir la producció de feromones. Per això hem desenvolupat un conjunt de promotors sintètics personalitzables, anomenats GB_SynP, activables amb dCasEV2.1, un activador transcripcional potent i programable desenvolupat recentment per a la inducció de gens en plantes. Els promotors GB_SynP van permetre una regulació precisa des transgens, amb uns nivells de transcripció robustos i modulables a l'estat "encès" (presència de dCasEV2.1 i la corresponent guia d'ARN), i una expressió mínima a l'estat "apagat". Per implementar el sistema de producció condicional de feromones en plantes es va generar una nova ruta multigènica per a la biosíntesi de feromones d'arna sota el control dels promotors GB_SynP. Paral·lelament, l'activador dCasEV2.1 es va regular transcripcionalment al mòdul CUP2:GAL4 sensible al sulfat de coure, un inductor químic àmpliament utilitzat en l'agricultura. La funcionalitat del sistema es va provar mitjançant expressió transitòria en N. benthamiana, resultant en uns rendiments a l'estat "encès" de 32.7 g-1 FW i 25 µg g-1 FW per a Z11-16OH i Z11-16OAc, respectivament, i uns nivells insignificants en absència de coure. No obstant això, l'expressió estable d'aquesta ruta a N. benthamiana va produir uns nivells d'expressió dels transgens significativament menors i una marcada disminució en la producció de feromones. Això suposa que el sistema en la seua forma actual resulte inviable com a biofàbrica de feromones en termes pràctics. L'optimització d'aquest sistema ha de centrar-se en millorar la cascada d'activació, en l'ús d'espècies de plantes alternatives amb major biomassa, i/o en incrementar les taxes d'emissió a la planta. Com a alternativa a la producció de feromones en plantes, la intercanviabilitat de peces gèniques entre plantes i fongs filamentosos pot aprofitar-se per crear biofàbriques fúngiques de feromones. En aquest sentit, el nostre grup va adaptar prèviament el sistema GoldenBraid a fongs filamentosos, anomenat FungalBraid. En aquesta tesi, vam ampliar la col·lecció de FungalBraid incorporant 27 peces noves que inclouen diferents marcadors de selecció i promotors constitutius i induïbles, els quals es van caracteritzar funcionalment a Penicillium digitatum i P. chrysogenum. A més, es van expressar amb èxit els promotors GB_SynP en P. digitatum, en combinació amb el sistema de dCas9 activadora contingut en el vector pAMA18. Encara que els nivells d'expressió de GB_SynP en fongs filamentosos van ser menors que els observats prèviament en plantes, aquesta i altres eines disponibles a la col·lecció FungalBraid poden utilitzar-se en el futur per al desenvolupament de biofàbriques fúngiques que produeixin feromones d'insectes i altres biomolècules de gran valor. / [EN] The use of living organisms as biofactories have gained significant attention in the industry due to the increasing demand for sustainable production systems and the shortage of resources. Among their many applications, biofactories can be engineered to produce insect pheromones, which serve as eco-friendly alternatives to pesticides for pest management in agriculture. As a proof of concept, in this thesis we characterized Nicotiana benthamiana plants engineered with a multigene pathway to produce the moth pheromones (Z)-11-hexadecenol (Z11-16OH) and (Z)-11-hexadecenyl acetate (Z11-16OAc). The resulting transgenic plants produced modest amounts of both pheromones (111.4 µg g-1 FW and 11.8 µg g-1 FW for Z11-16OH and Z11-16OAc, respectively), and daily emission rates of ~10 ng g-1 FW for each pheromone. Pheromone production in these plants significantly affected their fitness, likely due to the substantial metabolic burden and possible toxicity of lipid-derived products. One strategy to address these developmental abnormalities consists of engineering conditional transgene expression systems, thus allowing plants to grow normally before inducing the production of pheromones. To achieve this goal, in this thesis we developed a set of customizable synthetic promoters called GB_SynP, which can be activated by dCasEV2.1, a strong programable transcriptional activator recently developed for plant gene regulation. These GB_SynP promoters enabled tight regulation of single and multiple transgenes, with robust and tunable transcription levels in the ON state (presence of dCasEV2.1 loaded with the corresponding gRNA), and minimal or undetectable expression in the OFF state. To implement a conditional expression system for pheromone production in plants, a newly engineered multigene pathway for the biosynthesis of moth pheromones was constructed under the control of GB_SynP promoters. In parallel, the dCasEV2.1 activator was transcriptionally regulated with the CUP2:GAL4 sensor for copper sulphate, an agronomically-compatible chemical trigger. The functionality of this system was tested transiently in N. benthamiana, resulting in estimated yields of 32.7 µg g-1 FW and 25 µg g-1 FW for Z11-16OH and Z11-16OAc respectively in the ON state, and negligible levels in the absence of copper. However, stable transformation of the same copper-regulated pheromone pathway in N. benthamiana plants resulted in significantly lower transgene expression levels, which translated into a great reduction of pheromone yields. This makes the system in its current form a non-viable pheromone biofactory in practical terms. Further optimization should focus on the improvement of the activation cascade, the use of alternative plant hosts with more biomass, and/or the enhancement of emission rates in planta. As an alternative to pheromone production in plants, the interchangeability of DNA parts between plants and filamentous fungi could also be exploited to create fungal biofactories for pheromone production. In this regard, our research group previously adapted the GoldenBraid system for filamentous fungi, which we named FungalBraid. In this thesis, we expanded the FungalBraid collection by incorporating 27 new DNA parts, including different selection markers and several constitutive and inducible promoters, all of which were functionally characterized in Penicillium digitatum and P. chrysogenum. Furthermore, we successfully expressed the GB_SynP promoters developed for plants in P. digitatum, in combination with the non-integrative pAMA18-derived vector for the expression of a dCas9-based activator. Although further optimization of GB_SynP in filamentous fungi is required, as expression levels were lower than those previously observed in plants, this and the other tools available in the FungalBraid collection can be effectively employed in the future for the development of fungal biofactories that produce insect pheromones and other high value biomolecules. / Este trabajo ha sido financiado mediante la Ayuda para la Formación de Profesorado Universitario FPU18/02019 (Ministerio de Educación, Cultura y Deporte), así como por el proyecto europeo SUSPHIRE (PCI2018-092893, Era- CoBiotech), y los proyectos de Plan Nacional I+D PID2019-108203RB-100 y PID2021-125858OB-100 (Ministerio de Ciencia e Innovación). / Moreno Giménez, E. (2023). Synthetic biology tools for production of insect pheromones in plants and filamentous fungi [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201180

[ES] La Biología Sintética de Plantas es un campo en rápida expansión, con un gran potencial para potenciar la producción de compuestos en plantas. Las plantas pueden actuar como biofactorías sostenibles y económicas para la producción de moléculas de alto valor; sin embargo, la producción continua a menudo genera problemas de toxicidad para la propia planta y bajos rendimientos. Un objetivo clave en este ámbito es lograr un control preciso e inducible sobre la expresión génica mediante circuitos genéticos sintéticos que incluyen sensores y procesadores modulares. Esta tesis se centra en el desarrollo de un sensor de cobre y procesadores basados en geminivirus, diseñados como componentes modulares para circuitos sintéticos en Nicotiana benthamiana, una planta modelo con gran potencial para transformaciones génicas tanto transitorias como estables. El primer capítulo de esta tesis presenta un sistema de expresión génica inducible por cobre, diseñado para permitir una regulación precisa dependiente de sulfato de cobre (CuSO4). Este sistema incluye un elemento sensor compuesto por un factor de transcripción que se une al cobre, CUP2, fusionado al dominio de activación Gal4 y un promotor sintético con sitios de unión al cobre (CBS) ubicado antes de un promotor mínimo. El sensor de cobre se utilizó exitosamente para controlar un activador transcripcional programable basado en CRISPR/dCas9 (dCasEV2.1) en N. benthamiana. Este sensor, combinado con el procesador dCasEV2.1 (CS/dCasEV2.1), confirió un control robusto de la expresión génica, con mínima actividad basal y fuerte activación en respuesta a cobre, ofreciendo una herramienta robusta para la activación específica de genes endógenos. Este sistema tiene un gran potencial para la regulación dirigida de genes en Biología Sintética de Plantas, especialmente en aplicaciones que requieren activación bajo demanda y baja expresión de fondo. El segundo capítulo se centra en el desarrollo de un circuito de amplificación génica regulado por cobre, denominado CuBe, en referencia al ion cobre (Cu²⁺) y al virus del enanismo amarillo del frijol (BeYDV). CuBe combina el sensor de cobre con un vector replicativo derivado específicamente del geminivirus BeYDV y sus correspondientes proteínas asociadas a replicación (Rep/RepA). Esta combinación permite la activación inducida por cobre del replicón y la posterior expresión de proteínas recombinantes en N. benthamiana. Diseñado para lograr una baja expresión basal y alta inducibilidad, CuBe facilita la producción controlada de proteínas de interés farmacéutico, como anticuerpos. Se generaron líneas transgénicas estables con CuBe, confirmando su funcionalidad a largo plazo y robustez con métodos alternativos de aplicación de cobre, como en post-cosecha e hidroponía. Este sistema destaca el potencial de los circuitos regulados por cobre para aplicaciones escalables de Agricultura Molecular en condiciones controladas. El tercer capítulo amplía el uso de sistemas basados en geminivirus investigando y optimizando varios vectores geminivirales (derivados de BeYDV, TYLCV y BCTV) para aplicaciones en biotecnología vegetal. Utilizando un sistema reportero de bioluminiscencia autosostenida, este estudio caracteriza la dinámica y los niveles de expresión basal de diferentes configuraciones de vectores, evaluando su eficacia para la expresión transitoria de una enzima recombinante ligada a la bioluminiscencia. Estos análisis proporcionaron información sobre los puntos fuertes y las limitaciones de cada vector para aplicaciones específicas, como la expresión de múltiples genes, lo que enriquece el conjunto de herramientas geminivirales disponibles para la Biología Sintética de Plantas. / [CA] La Biologia Sintètica de Plantes és un camp en ràpida expansió, amb un gran potencial per a potenciar la producció de compostos en plantes. Les plantes poden actuar com biofactories sostenibles i econòmiques per a la producció de molècules d'alt valor; no obstant això, la producció contínua sovint genera problemes de toxicitat per a la pròpia planta i baixos rendiments. Un objectiu clau en aquest àmbit és aconseguir un control precís i induïble sobre l'expressió gènica mitjançant circuits genètics sintètics que inclouen sensors i processadors modulars. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament d'un sensor de coure i processadors basats en geminivirus, dissenyats com a components modulars per a circuits sintètics en Nicotiana benthamiana, una planta model amb gran potencial per a transformacions gèniques tant transitòries com estables. El primer capítol d'aquesta tesi presenta un sistema d'expressió gènica induïble per coure, dissenyat per a permetre una regulació precisa dependent de sulfat de coure (CuSO4). Aquest sistema inclou un element sensor compost per un factor de transcripció que s'uneix al coure, CUP2, fusionat al domini d'activació Gal4 i un promotor sintètic amb llocs d'unió al coure (CBS) situat abans d'un promotor mínim. El sensor de coure es va utilitzar amb èxit per a controlar un activador transcripcional programable basat en CRISPR/dCas9 (dCasEV2.1) en N. benthamiana. Aquest sensor, combinat amb el processador dCasEV2.1 (CS/dCasEV2.1), va conferir un control robust de l'expressió gènica, amb mínima activitat basal i forta activació en resposta a coure, oferint una eina robusta per a l'activació específica de gens endògens. Aquest sistema té un gran potencial per a la regulació dirigida de gens en Biologia Sintètica de Plantes, especialment en aplicacions que requereixen activació sota demanda i baixa expressió de fons. El segon capítol se centra en el desenvolupament d'un circuit d'amplificació gènica regulat per coure, denominat CuBe, en referència a l'ió coure (Cu²¿) i al virus del nanisme groc del fesol (BeYDV). CuBe combina el sensor de coure amb un vector replicatiu derivat específicament del geminivirus BeYDV i les seues corresponents proteïnes associades a replicació (Rep/RepA). Aquesta combinació permet l'activació induïda per coure del replicon i la posterior expressió de proteïnes recombinants en N. benthamiana. Dissenyat per a aconseguir una baixa expressió basal i alta inducibilitat, CuBe facilita la producció controlada de proteïnes d'interés farmacèutic, com a anticossos. Es van generar línies transgèniques estables amb CuBe, confirmant la seua funcionalitat a llarg termini i robustesa amb mètodes alternatius d'aplicació de coure, com en post-collita i hidroponia. Aquest sistema destaca el potencial dels circuits regulats per coure per a aplicacions escalables d'Agricultura Molecular en condicions controlades. El tercer capítol amplia l'ús de sistemes basats en geminivirus investigant i optimitzant diversos vectors geminivirals (derivats de BeYDV, TYLCV i BCTV) per a aplicacions en biotecnologia vegetal. Utilitzant un sistema reporter de bioluminescència autosostinguda, aquest estudi caracteritza la dinàmica i els nivells d'expressió basal de diferents configuracions de vectors, avaluant la seua eficàcia per a l'expressió transitòria d'un enzim recombinant lligat a la bioluminescència. Aquestes anàlisis van proporcionar informació sobre els punts forts i les limitacions de cada vector per a aplicacions específiques, com l'expressió de múltiples gens, la qual cosa enriqueix el conjunt d¿eines geminivirals disponibles per a la Biologia Sintètica de Plantes. / [EN] Plant Synthetic Biology is a rapidly advancing field with significant potential to enhance plant-based biomanufacturing. Plants can serve as sustainable and cost-effective biofactories for producing valuable compounds, yet sustained production often leads to issues like toxicity for the plant itself and low yield. A major goal in plant biomanufacturing is to enable precise and inducible control over gene expression through the use of synthetic gene circuits containing modular sensor and processor elements. This thesis focuses on the development of a copper sensor and geminivirus-based processors, designed as modular components for synthetic gene circuits in Nicotiana benthamiana, a model plant with strong potential for transient and stable gene transformation. The first chapter of this thesis presents a copper-inducible gene expression system designed to achieve precise, copper sulfate (CuSO4)-dependent regulation of transcriptional activation. This system comprises a sensor element consisting of the copper-binding transcription factor CUP2 fused to the Gal4 activation domain, and a synthetic promoter containing copper-binding sites (CBS) positioned upstream of a minimal promoter. The copper sensor was successfully applied to control the activation of a CRISPR/dCas9-based programmable transcriptional activator (dCasEV2.1) in N. benthamiana. The copper sensor, combined with the dCasEV2.1 processor (CS/dCasEV2.1), conferred robust control of gene expression, with minimal basal activity and strong activation in response to copper sulfate, providing a reliable tool for fine-tuned induction of endogenous genes. This system offers significant potential for targeted gene regulation in Plant Synthetic Biology, especially for applications requiring on-demand activation with minimal background expression. The second chapter focuses on the development of a copper-regulated gene amplification circuit called CuBe, which takes its name from the chemical symbol for copper (Cu²¿) and the initials of the bean yellow dwarf virus (BeYDV). In this system, the copper sensor is combined with a replicative vector and the associated replication proteins (Rep/RepA), both derived from BeYDV. This integration enables copper-inducible activation of the replicon, allowing for controlled expression of recombinant proteins in N. benthamiana. Designed to achieve low basal expression and high inducibility, CuBe facilitates controlled expression of recombinant proteins with pharmaceutical relevance, such as antibodies. Stable transgenic lines carrying CuBe were generated, confirming its long-term functionality and robustness with alternative copper application methods, including post-harvest and hydroponic. The CuBe system highlights the potential of copper-inducible circuits for scalable Molecular Farming applications in controlled conditions. The third chapter expands on geminivirus-based systems by investigating and optimizing various geminiviral vectors (derived from BeYDV, TYLCV, and BCTV) for plant biotechnology applications. Using a self-sustained bioluminescence-based reporter system, this study characterizes the dynamics and basal expression levels of different vector configuration, comparing their efficacy for the transient expression of a recombinant enzyme linked to bioluminescence. These analyses provided insights into the strengths and limitations of each vector for specific applications, such as multi-gene expression, thereby enhancing the geminiviral toolbox available for Plant Synthetic Biology. In conclusion, this thesis contributes novel tools for Plant Synthetic Biology, with significant implications for Molecular Farming and plant-based biocomputing. By integrating inducible systems with optimized vector design, this research provides a foundation for future advancements in synthetic gene circuits tailored for plant biotechnology applications that demand tightly regulated and customizable gene expression. / Esta tesis doctoral ha sido financiada mediante la Subvención para la contratación de personal investigador de carácter predoctoral (ACIF/2020/309) de la Generalitat Valenciana. / García Pérez, E. (2025). Development of a Copper Sensor and Geminivirus-Based Processors for Engineering Synthetic Gene Circuits in Plants [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214743

All cells maintain essential metal nutrients at optimal levels by metal homeostasis. P-type ATPases, a crucial superfamily of integral membrane proteins, are involved in the active transport of metal ions across biological membranes driven by the motive force of ATP- hydrolysis. The PIB-type ATPase subfamily, also called CPx-ATPases, fulfills a key role in heavy metal homoeostasis among the most widespread species from bacteria to human. In humans, the defect in copper transporters is the direct cause of severe neurological and hepatic disorders such as Wilson and Menkes diseases, therefore, understanding the molecular function of these pumps is of paramount importance in human health. Cu+-ATPases have two transmembrane metal binding sites (TM-MBS) and three cytosolic domains, namely the actuator (A-domain) and phosphorylation and nucleotide-binding domain (PN), and regulatory N-terminal heavy metal binding domain (HMBD). Here, we have studied the Legionella pneumophila CopA (LpCopA) and its isolated cytosolic domains to improve our understanding of the functional interaction of the protein domains during metal transport relate this to the known structure of this ATPase. To elucidate how cytosolic ligands (Cu+ and nucleotide) stimulate the interactions among the cytosolic domains and may transmit conformational changes to the TM-MBS, the interactions among recombinant isolated cytosolic domains were first examined biochemically by co-purification and spectroscopically by circular dichroism, time-resolved fluorescence and site-directed fluorescent labeling assays. The Cu+-dependent interaction between the A-domain and HMBD has been postulated as a mechanism for activating the ATPase cycle. This question was addressed here by studying copper-dependent interactions between the isolated expressed domains. Spectroscopic evidence is provided that an HMBD-A complex is formed in the presence of Cu+ which binds with 100-200 nM affinity to the recombinant HMBD. In contrast, the A-domain interacts with the PN domain in a nucleotide-dependent fashion. This molecular recognition is required for the dephosphorylation step in the catalytic cycle. The interaction was investigated in more detail by the use of a decameric peptide derived from the PN-binding interface of the A-domain and carrying the conserved TGE-motif involved in dephosphorylation. Its binding to the isolated PN domain in a weakly nucleotide-dependent manner, is demonstrated here by stopped-flow fluorescence spectroscopy. Several ATPase assays were modified to assess the functionality of the PN-domain and full length LpCopA. The peptide was found to reduce the catalytic turnover of full length LpCopA. This agrees with the expected slowing down of the reformation of the PN-A-domain interaction since the peptide occupies their binding interface. Thus, the synthetic peptide provides a means to study specifically the influence of PN-A-domain interactions on the structure and function of LpCopA. This was done by time-correlated single photon counting (TCSPC) method. The time-dependent Stokes shift of the environmentally sensitive fluorophore BADAN which was covalently attached to the conserved CPC-motif in the TM-MBS was measured. The data indicate that the interior of the ATPase is hydrated and the mobility of the intra-protein water varies from high to low at C382 at the “luminal side” and C384 at the “cytosolic side” of the TM-MBS, respectively. This finding is consistent with the recent MD simulation of LpCopA, bringing the first experimental evidence on a luminal-open conformation of E2~P state. The A-domain-derived decapeptide, although binding to the cytosolic head piece, induces structural changes also at the TM-MBS. The peptide-stabilized state (with a disrupted PN-A interface) renders the C384 environment more hydrophobic as evidenced by TCSPC. Taken together, the data from cytosolic domain interactions, ATPase assays and of time-dependent Stoke shift analyses of BADAN-labeled LpCopA reveal the presence of hydrated intramembraneous sites whose degree of hydration is regulated by the rearrangement of cytosolic domains, particularly during the association and dissociation of the PN-A domains. Copper affects this arrangement by inducing the linkage of the A-domain to the HMBD. The latter appears to play not only an autoinhibitory but also a chaperone-like role in transferring Cu+ to the TM-MBS during catalytic turnover.

In this thesis, I investigate dynamic and computational properties of prokaryotic signalling architectures commonly known as the Two Component Signalling networks and phosphorelays. The aim of this study is to understand the information processing capabilities of different prokaryotic signalling architectures by examining the dynamics they exhibit. I present original investigations into the dynamics of different phosphorelay architectures and identify network architectures that include a commonly found four step phosphorelay architecture with a capacity for tuning its steady state output to implement different signal-response behaviours viz. sigmoidal and hyperbolic response. Biologically, this tuning can be implemented through physiological processes like regulating total protein concentrations (e.g. via transcriptional regulation or feedback), altering reaction rate constants through binding of auxiliary proteins on relay components, or by regulating bi-functional activity in relays which are mediated by bifunctional histidine kinases. This study explores the importance of different biochemical arrangements of signalling networks and their corresponding response dynamics. Following investigations into the significance of various biochemical reactions and topological variants of a four step relay architecture, I explore the effects of having different types of proteins in signalling networks. I show how multi-domain proteins in a phosphorelay architecture with multiple phosphotransfer steps occurring on the same protein can exhibit multistability through a combination of double negative and positive feedback loops. I derive a minimal multistable (core) architecture and show how component sharing amongst networks containing this multistable core can implement computational logic (like AND, OR and ADDER functions) that allows cells to integrate multiple inputs and compute an appropriate response. I examine the genomic distribution of single and multi domain kinases and annotate their partner response regulator proteins across prokaryotic genomes to find the biological significance of dynamics that these networks embed and the processes they regulate in a cell. I extract data from a prokaryotic two component protein database and take a sequence based functional annotation approach to identify the process, function and localisation of different response regulators as signalling partners in these networks. In summary, work presented in this thesis explores the dynamic and computational properties of different prokaryotic signalling networks and uses them to draw an insight into the biological significance of multidomain sensor kinases in living cells. The thesis concludes with a discussion on how this understanding of the dynamic and computational properties of prokaryotic signalling networks can be used to design synthetic circuits involving different proteins comprising two component and phosphorelay architectures.

Cette thèse s'intéresse aux liens entre l'évolution de la coopération et la sélection de second ordre. Dans une première partie, nous montrons comment des organismes digitaux adaptent leurs génomes pour encoder les gènes liées à la coopération d'une manière plus contrainte (suppression d'évolvabilité), notamment à l'aide d'opérons et d'overlaps impliquant aussi des gènes essentiels. Dans une deuxième partie, nous testons expérimentalement cette vision des overlaps de gènes comme "contrainte évolutive" grâce à des outils d'algorithmique et de biologie synthétique que nous avons développés. Dans une troisième partie, nous utilisons des simulations par agents pour montrer comment une forme de division du travail peut être interprétée comme un système coopératif à la lumière de la théorie évolutive moderne. Dans une dernière partie, nous montrons que la dispersion spatiale des allèles coopératives obtenue par des phénomènes de "genetic hitchiking" joue un rôle important dans l'évolution de la coopération, quand bien même ce mécanisme de dispersion s'applique aussi à des allèles non coopératives, grâce à la "relatedness" (aux loci codant pour la coopération) crée par l'invasion locale de mutations bénéfiques (à des loci non liés à la coopération) et par l'équilibre complexe entre ces mutations bénéfiques et la robustesse mutationnelle. L'ensemble de ces résultats appelle à une prise en compte plus importante des pressions sélectives de second ordre dans l'étude de l'évolution sociale, et au développement de modèles plus réalistes qui permettraient d'intégrer de telles forces évolutives. Nous insistons également sur l'importance du paysage mutationnel dans l'étude des populations bactériennes, et montrons le potentiel croissant de la biologie synthétique comme outil d'étude de ce paysage et de l'évolution microbienne en général. / In the first part, I show how digital organisms adapt their genomes to encode cooperation-related genes in a more constrained way (evolvability suppression), especially using operons and overlaps also involving essential genes. In the second part, we experimentally test this view of gene overlaps as an evolutionary constraint, using both algorithmic and synthetic biology tools that we have developed. In the third part, I use agent-based simulations to show how a form of division of labour can be interpreted as a cooperative system in the light of modern evolutionary theory. In the final part, I show that the patterns of dispersal of cooperative alleles due to hitchhiking phenomena play an important role in the evolution of cooperation. The last result holds even though the hitchhiking mechanisms also applies to non-cooperative alleles, thanks to the relatedness (at cooperation-related loci) created by the local invasion of beneficial mutations (at loci not related to cooperation). The beneficial mutations form a complex and interesting equilibrium with mutational robustness, which I investigate using in silico evolution. On the whole, these results call for a more careful consideration of the second-order selection pressures in the study of social evolution, and show the necessity for more realistic models allowing to integrate such evolutionary forces. My thesis research specifically highlights the importance of the mutational landscape in the study of microbial populations and shows the increasing potential of synthetic biology as a tool to study such landscape and microbial evolution in general.

All cells maintain essential metal nutrients at optimal levels by metal homeostasis. P-type ATPases, a crucial superfamily of integral membrane proteins, are involved in the active transport of metal ions across biological membranes driven by the motive force of ATP- hydrolysis. The PIB-type ATPase subfamily, also called CPx-ATPases, fulfills a key role in heavy metal homoeostasis among the most widespread species from bacteria to human. In humans, the defect in copper transporters is the direct cause of severe neurological and hepatic disorders such as Wilson and Menkes diseases, therefore, understanding the molecular function of these pumps is of paramount importance in human health. Cu+-ATPases have two transmembrane metal binding sites (TM-MBS) and three cytosolic domains, namely the actuator (A-domain) and phosphorylation and nucleotide-binding domain (PN), and regulatory N-terminal heavy metal binding domain (HMBD). Here, we have studied the Legionella pneumophila CopA (LpCopA) and its isolated cytosolic domains to improve our understanding of the functional interaction of the protein domains during metal transport relate this to the known structure of this ATPase. To elucidate how cytosolic ligands (Cu+ and nucleotide) stimulate the interactions among the cytosolic domains and may transmit conformational changes to the TM-MBS, the interactions among recombinant isolated cytosolic domains were first examined biochemically by co-purification and spectroscopically by circular dichroism, time-resolved fluorescence and site-directed fluorescent labeling assays. The Cu+-dependent interaction between the A-domain and HMBD has been postulated as a mechanism for activating the ATPase cycle. This question was addressed here by studying copper-dependent interactions between the isolated expressed domains. Spectroscopic evidence is provided that an HMBD-A complex is formed in the presence of Cu+ which binds with 100-200 nM affinity to the recombinant HMBD. In contrast, the A-domain interacts with the PN domain in a nucleotide-dependent fashion. This molecular recognition is required for the dephosphorylation step in the catalytic cycle. The interaction was investigated in more detail by the use of a decameric peptide derived from the PN-binding interface of the A-domain and carrying the conserved TGE-motif involved in dephosphorylation. Its binding to the isolated PN domain in a weakly nucleotide-dependent manner, is demonstrated here by stopped-flow fluorescence spectroscopy. Several ATPase assays were modified to assess the functionality of the PN-domain and full length LpCopA. The peptide was found to reduce the catalytic turnover of full length LpCopA. This agrees with the expected slowing down of the reformation of the PN-A-domain interaction since the peptide occupies their binding interface. Thus, the synthetic peptide provides a means to study specifically the influence of PN-A-domain interactions on the structure and function of LpCopA. This was done by time-correlated single photon counting (TCSPC) method. The time-dependent Stokes shift of the environmentally sensitive fluorophore BADAN which was covalently attached to the conserved CPC-motif in the TM-MBS was measured. The data indicate that the interior of the ATPase is hydrated and the mobility of the intra-protein water varies from high to low at C382 at the “luminal side” and C384 at the “cytosolic side” of the TM-MBS, respectively. This finding is consistent with the recent MD simulation of LpCopA, bringing the first experimental evidence on a luminal-open conformation of E2~P state. The A-domain-derived decapeptide, although binding to the cytosolic head piece, induces structural changes also at the TM-MBS. The peptide-stabilized state (with a disrupted PN-A interface) renders the C384 environment more hydrophobic as evidenced by TCSPC. Taken together, the data from cytosolic domain interactions, ATPase assays and of time-dependent Stoke shift analyses of BADAN-labeled LpCopA reveal the presence of hydrated intramembraneous sites whose degree of hydration is regulated by the rearrangement of cytosolic domains, particularly during the association and dissociation of the PN-A domains. Copper affects this arrangement by inducing the linkage of the A-domain to the HMBD. The latter appears to play not only an autoinhibitory but also a chaperone-like role in transferring Cu+ to the TM-MBS during catalytic turnover.

This paper investigates the use of deep Convolutional Neural Networks for modeling the intronic regulation of Alternative Splicing on the basis of DNA sequence. By training the CNN on massively parallel synthetic DNA libraries of Alternative 5'-splicing and Alternatively Skipped exon events, the model is capable of predicting the relative abundance of alternatively spliced mRNA isoforms on held-out library data to a very high accuracy (R2 = 0.77 for Alt. 5'-splicing). Furthermore, the CNN is shown to generalize alternative splicing across cell lines efficiently. The Convolutional Neural Net is tested against a Logistic regression model and the results show that while prediction accuracy on the synthetic library is notably higher compared to the LR model, the CNN is worse at generalizing to new intronic contexts. Tests on non-synthetic human SNP genes suggest the CNN is dependent on the relative position of the intronic region it was trained for, a problem which is alleviated with LR. The increased library prediction accuracy of the CNN compared to Logistic regression is concluded to come from the non-linearity introduced by the deep layer architecture. It adds the capacity to model complex regulatory interactions and combinatorial RBP effects which studies have shown largely affect alternative splicing. However, the architecture makes interpreting the CNN hard, as the regulatory interactions are encoded deep within the layers. Nevertheless, high-performance modeling of alternative splicing using CNNs may still prove useful in numerous Synthetic biology applications, for example to model differentially spliced genes as is done in this paper. / Den här uppsatsen undersöker hur djupa neurala nätverk baserade på faltning ("Convolutions") kan användas för att modellera den introniska regleringen av Alternativ Splicing med endast DNA-sekvensen som indata. Nätverket tränas på ett massivt parallelt bibliotek av syntetiskt DNA innehållandes Alternativa Splicing-event där delar av de introniska regionerna har randomiserats. Uppsatsen visar att nätverksarkitekturen kan förutspå den relativa mängden alternativt splicat RNA till en mycket hög noggrannhet inom det syntetiska biblioteket. Modellen generaliserar även alternativ splicing mellan mänskliga celltyper väl. Hursomhelst, tester på icke-syntetiska mänskliga gener med SNP-mutationer visar att nätverkets prestanda försämras när den introniska region som används som indata flyttas i jämförelse till den relativa position som modellen tränats på. Uppsatsen jämför modellen med Logistic regression och drar slutsatsen att nätverkets förbättrade prestanda grundar sig i dess förmåga att modellera icke-linjära beroenden i datan. Detta medför dock svårigheter i att tolka vad modellen faktiskt lärt sig, eftersom interaktionen mellan reglerande element är inbäddat i nätverkslagren. Trots det kan högpresterande modellering av alternativ splicing med hjälp av neurala nät vara användbart, exempelvis inom Syntetisk biologi där modellen kan användas för att kontrollera regleringen av splicing när man konstruerar syntetiska gener.

Les produits naturels (PNs) englobent une énorme diversité chimique qui a conduit à la découverte de médicaments révolutionnaires contre le cancer, contre les maladies infectieuses et contre d'autres maladies. La majorité des médicaments actuellement approuvés sont des dérivés de PNs, où nombre d’entre eux engagent des cibles considérées comme non thérapeutiques. Malgré ces avantages, les PNs posent des problèmes au niveau de l’isolement, de la déréplication, du réapprovisionnement et de la traçabilité chimique. Compte tenu du besoin urgent de découvrir de nouvelles molécules bioactives contre de nouvelles cibles pour tous les types de maladies, des stratégies innovantes sont nécessaires pour revigorer la découverte de médicaments à partir des PNs. Nous avons développé une plateforme utilisant Saccharomyces cerevisiae pour la production hétérologue de molécules similaire aux PNs, appelée « produits naturels synthétiques » (PNSs). Nous avons synthétisé une vaste bibliothèque de gènes impliqués dans la biosynthèse de PNs (GBSs) provenant de plantes, de champignons et de bactéries, pour lesquels leur contenu en GC et leurs codons ont été optimisés pour l’expression dans S. cerevisiae. Ces gènes sont assemblés en chromosomes artificiels de levure pour générer de vastes bibliothèques combinatoires de BSG pour la production de molécules similaires aux PNs. Les bibliothèques de PNSs peuvent être directement criblées contre des microorganismes ou des cibles spécifiques dans des essais à haut débit. J'ai effectué le criblage de bibliothèques de PNSs contre une variété de cibles bactériennes et humaines. L'un de ces criblages a conduit à la découverte de PNSs ayant une activité antimicrobienne contre un groupe de pathogènes cliniquement pertinents. Récemment, certaines équipes scientifiques, dont la nôtre, ont découvert que l'hyperactivation de la protéase mitochondriale humaine CLPP par les composés anticancéreux ONC201 et ONC212, qui sont présentement en phase préclinique, provoque la mort cellulaire par protéolyse mitochondriale incontrôlée. Cependant, j'ai trouvé que ONC201/212 activent également la version bactérienne de ClpP et ils pourraient donc perturber le microbiome. J'ai donc développé des essais génétiques de substitution dans la levure pour les protéases ClpP afin de cribler pour des activateurs plus spécifiques. Ensuite, j'ai adapté mon approche dans la levure pour le criblage d’inhibiteurs de la protéase principale (Mpro) et de l'endoribonucléase (NendoU) de SRAS-CoV-2, afin de répondre au besoin pour des thérapies antivirales efficaces afin de traiter les personnes atteintes de la forme grave de la COVID-19. Enfin, une autre variante de mon approche dans la levure a également été développée pour le criblage de stabilisateurs de l'interaction entre FKBP12 et calcineurine dans le but d'identifier de nouveaux immunosuppresseurs qui présentent moins d'effets secondaires. Le criblage de ces différents essais m’a permis d’identifier des candidats potentiels pour chaque cible. Bien que les tests faits dans la levure soient utilisés dans le contexte de criblages traditionnels, l’utilisation de la plateforme PNS permet d’explorer un espace chimique inaccessible auparavant afin de favoriser la découverte de médicaments, le tout de manières économique, modulable et durable. / Natural products (NPs) encompass enormous chemical diversity, leading to revolutionary medicines in cancer, infectious disease, and other indications. The majority of currently approved drugs are derived from NPs, with many of them engage targets otherwise viewed as undruggable. Despite these advantages, NPs pose problems in isolation, dereplication, resupply and chemical tractability. Given the pressing need to discover bioactive chemical matter against new targets in all disease areas, innovative strategies are required to reinvigorate NP-based drug discovery. We have developed a Saccharomyces cerevisiae platform for heterologous production of NP-like chemical matter, termed Synthetic Natural Products (SynNPs). We synthesized an extensive library of codon- and GC-content optimized NP biosynthetic genes (BSGs) from plants, fungi and bacteria. These genes are then assembled into programmable yeast artificial chromosomes (YAC) to generate vast combinatorial BSG libraries that produce NP-like molecules. SynNP libraries can be directly screened in high-throughput in either cell- or target-based assays. I constructed and screened SynNP libraries in yeast-based surrogate genetic assays against a variety of bacterial and human targets. One of these screens led to the discovery of SynNPs with antimicrobial activity against a panel of clinically relevant pathogens. Recently, we and others discovered that hyperactivation of the human mitochondrial caseinolytic protease proteolytic subunit (CLPP) by the preclinical anti-cancer compounds ONC201 and ONC212 causes cell death by rampant mitochondrial proteolysis. However, I found that ONC201/212 also activates bacterial ClpP and could therefore disrupt the microbiome. I thus developed yeast-based surrogate genetic assays for ClpP proteases to screen for more specific activators. Then, I adapted my yeast-based approach to screen for inhibitors of SARS-CoV-2 main protease (Mpro) and endoribonuclease (NendoU) to address the need for efficacious antiviral therapies to mitigate the COVID-19 pandemic. Finally, I developed another variant of my yeast-based approach to screen for stabilizers of the interaction between FKBP12 and calcineurin to identify novel candidate immunosuppressants. Screens with these various assay formats allowed me to identify candidate hits for each target. In summary, the SynNP platform allows the exploration of new-to-nature NP-like chemical space for drug discovery in a cost-effective, scalable and sustainable manner, and yeast-based surrogate genetic assays can be used to screen both existing chemical libraries and SynNP libraries.